钢结构设计特点

钢结构设计特点一. 概 况 vI ;A ! 广州远洋公寓大厦是远洋宾馆新建的一栋兼汽车库、办公公寓为一体的高层建筑。地上30层，地下3层，建筑面积20000M2，总高度为103m，标准层层高3.20m,地上110层为可以停放200辆汽车的立体汽车库， 11层以上为公寓，顶部有餐饮及娱乐设施。建筑外形与二十年前建造的远洋宾馆互相呼应成为一体。 7OLHYt9 由于远洋公寓大厦建地窄小，地处交通要道，混凝土结构施工很不方便。同时，为了提高建筑面积的使用率，增强抗震性能，加快建造周期，由开始的混凝土结构方案改为钢框架钢筋混凝土剪力墙方案。按照这个方案已于2000年底封顶，成为广州市第一栋高层钢结构，也是国内迄今最高的钢结构住宅建筑。 !eiUP cZ%tJ(&X 二. 结构方案的选取 /nv*OKS| 1. 钢框架钢筋混凝土剪力墙混合结构。由于原来是钢筋 混凝土结构，保留了钢筋混凝土剪力墙，这种结构形式的优点是较全钢结构造价低，楼电梯的墙既是承载又是分割墙；缺点是施工复杂，尤其是由于本工程的建筑平面特点混凝土墙不能先于钢结构施工，影响钢结构的进度。本文第三节将说明解决途径。 wMgF* 在原混凝土结构的结构布局条件下，利用钢结构大柱网的特点，将1、3、4轴上的四排柱改为三排柱，1/4轴上仅保留G轴上一个柱，减少了柱子，减小了柱截面，发挥了钢结构的优势，为租售楼创造了有利的条件。 JV(ae0 2. 钢框架支撑体系的纯钢结构方案：这个方案也可以较好地满足建筑平面的要求。结构优点是自重轻、替换词语作用小、减小了钢混凝土剪力墙结构平面的刚度偏心影响，有较好的延性。缺点是较钢混凝土混合结构造价高。经过竣工后的实际比较，为了使钢混凝土混合结构施工合理，采用本文第三节方案后，实际用钢量与纯钢结构已相差很少。 ;t4VA KKQT?/ b 三. 钢骨混凝土剪力墙的采用： W*iTg%ak 1. 为什么本工程中采用钢骨混凝土剪力墙： .s%Jckx 1) 合理的施工流水作业，加快工期。本工程建筑平面中剪力墙未形成独立的筒形结构，不可能先行施工，国内很多钢混凝土混合结构是筒中筒结构，筒体可以先于钢结构610层浇注混凝土墙体，而后安装钢结构。如果本工程采用一般混凝土剪力墙，钢结构与墙各层需同步施工，必然影响钢结构的进度，失去了钢结构快的优势。因此，本工程在混凝土剪力墙中设置钢柱梁及斜撑，组成临时稳定的结构，与钢框架同时安装形成整体框架支撑结构，安装之后逐层浇注钢筋混凝土墙。这样安装钢结构与混凝土作业分别进行，相互没有影响。 PXBU 2) 钢混凝土混合结构在施工中由于钢梁的安装误差与混凝土墙的施工误差相差近十倍，由于混凝土墙的偏斜经常发生钢梁很难就位的情况。在本工程中于墙内设置钢骨后，与钢梁连接的预埋件和墙内钢骨柱相连，可以控制钢结构误差之内使钢梁准确的就位，不会再发生钢梁难安装的问题。 &kvmLOI 3) 本工程十层以下为停车库，由于需满足200辆车位，面积很紧张，按照车辆布局要求，1轴剪力墙不可能上下贯通，需结构作局部转换，上部墙内的钢骨在下部形成钢骨混凝土柱作为支承构件之一，较好的满足上下转换结构的要求。 zrSYLG 4） 钢骨的设置使钢骨混凝土剪力墙提高了承载能力及延性。经计算，增加钢骨柱可以减小混凝土截面及竖向钢筋，提高墙体抗压弯的承载能力。 yX*$PNL5w 2钢骨混凝土剪力墙的构造及施工： +lzK L- 钢骨设置于墙端及转角处，在外接钢框架梁处挑出钢牛腿并连接预埋件，上边再焊接连接板与钢框架梁腹板用高强度螺栓相连。 cjhwJH 由于墙内钢骨柱及梁较小，作为临时支撑结构，在该状态下按6层钢框架支撑结构承受风及常规荷载计算，可以满足侧向位移限值要求。因此，在施工时要求安装钢结构与浇注灌混凝土相差不得超过6层。 uDJ;GDyc 实践证明，在施工中设钢骨混凝土墙做法达到了预期效果。由于墙内设置钢骨，用钢骨增加约15kg/M2 。 H_XspiB gREk,4DAv 四结构分析及钢结构设计： K:XP;#OsP 1结构分析： 8kcMgCO 本工程为一般钢混凝土混合结构，设有很特殊之处，使用了SATWE及美国ETABS软件计算分析，风荷载取值：基本风压0.5km/M2,风载系数1.4，由于周边高层建筑较多，风荷按增大1.3倍计算，替换词语设防为7度，类场地上，替换词语作用各系数按混凝土结构取值。 doiD=b 经计算结构主要特征如下： w2s06g 结构自振周期；Tx=2.95秒 Ty=3.13秒 WC=d d)M 风载作用下结构侧向位移： yEjiMtQll mT-Ig 5 钢混凝土混合结构中使用钢骨混凝土剪力墙或是在混凝土墙中放构造钢骨（不参与受力计算）。对钢 混凝土混合结构的施工，提高承载能力，加强延性都是有利的。 2yg6hR 作者: 天上飞草 发布日期: 2005-7-27 _9 _w& 第6卷第2期安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 5Lkutw Vol.6 No.2 1998Journal of Anhui Institute of Architecture1998 EmcLW74 ;XawEG7 U 大型钢结构广告牌的设计和施工特点 r 5& B y-bUVw!Y 汪莲(合肥工业大学合肥230009) ;H.QW HVHv,:bPo 摘要探讨了大型钢结构广告牌设计和施工的一些特点,对进一步改进和完善这一新型建筑物具有一定的参考价值。 ySmbX v V7 关键词广告牌,设计,焊接,扩孔 $w kr OAeVn 中图法分类号TU3990 .N qXdari z6Ob X 引言 AX?1$ 近年来,随着我国改革开放的不断深入,经济建设得到了迅速的发展,伴随而起的广告业也日益兴旺。因而,在广告牌结构设计中,对其造型、规模及效益等方面的要求也不断提高。大型广告牌属永久性建筑物,其位置一般处在公共场所、繁华闹市地带,并且多数是建在已建建筑群中,因此,在满足广告效果的前提下,其结构的安全性尤其重要。另外,其基础工程的施工一般受邻近已建建筑物的制约影响比较大。本文根据某火车站站前广场两侧的广告牌结构工程设计及实际施工的经验,对大型钢结构广告牌结构设计和施工特点作一些探讨。 6UeYZ g 1SG. 1.工程概况：该广告牌位于某火车站站前广场东西两侧花坛内,花坛宽为3m,其一侧为混凝土浇筑的广场,另一侧为素混凝土路面。根据现场钻探资料,工程场地的土层自上而下分为三层:表层为填土(Qm1),层厚为2.52.7m,含碎砖块、块石及有机质等,其静力触探比贯入阻力PS=0.833.65MPa,承载力fk=6080kPa,压缩模量ES=3.03.5MPa,该层填土土质松软,结构松散,软硬不均,强度低,未经处理不宜作建筑物的基础持力层;第二层为粉质粘土(Qm1+p1),层厚为0.32.0m,含少量的氧化铁,其静力触探比贯入阻力PS=0.831.85MPa,承载力fk=90150kPa,压缩模量ES=4.56.8MPa;第三层为粘土(Qm1+p1),位于离地面4m以下,该层未钻穿,土质呈硬塑状态,含大量的氧化铁及铁锰结核,其静力触探比贯入阻力PS=3.485.10MPa,承载力fk=250360kPa,压缩模量ES=10.515.0MPa,该层粘土分布面广,厚度大,强度高,是良好的基础持力层。工程场地内的地下水类型主要为埋藏于表层填土中的上层滞水,地下水主要受大气降水及地表水入渗补给,水位、水量均受气候变化影响。 uX6yhaOp| 设计要求该广告牌由18m高的独立钢柱离地面12m后撑起618m的矩形钢结构广告灯箱。该地区基本风压为w=0.3kN/m2,替换词语设防裂度为7度。 aT:wUYG kUf i 2.广告牌结构设计 9 %T?- (1).结构型式的选择：独立钢柱大型钢结构广告牌的主体结构,目前常采用的形式有两种:一种为T型,其主骨架由一根独立钢柱和上部一根横向主梁呈T型焊接而成,该体系主体结构受力明确,计算简单,由立柱顶上焊接一根横梁形成固结于地基上的T形刚架结构体系,广告灯箱面板通过各挂件及斜撑与T形刚架结构相连。另一种为桁架式,其主骨架由一根独立钢柱和上部几道相互平行的横向主梁焊接而成,主梁之间由水平及斜向支撑连接,形成空间桁架体系,广告灯箱直接挂在主骨架上。 yfZNL?2x G.rz6o; 经过比选,该广告牌结构型式采用桁架式。其理由是:第一,广告牌结构的控制设计荷载是风载,风压直接作用在面板上,再由面板传至骨架,此时,在不同高程上的几道主梁可把风载较均匀地传至立柱,因而可减小主梁与立柱连接处的应力集中;其次,平行式桁架结构主梁采用槽钢,使结构外形平整,便于广告面板挂,并可加强面板与主骨架的连接,从而减小了面板的变形,以确保广告面的感观效果;第三,平行式桁架结构,可在每道主梁高程设置内检修梯,这样给结构的维护、检修及挂、卸广告布带来了极大的方便,且保证了操作人员的人身安全;除此之外,平行式桁架结构,形式简洁、美观,受力明确,节点构造简单,施工方便,从而能保证施工质量。 l_SU8i57 ?*fYO (2).结构布置：本工程采用独立钢结构圆柱,通过节点板在三个不同高程搭焊三道横向主梁,主梁之间设置横隔梁和斜向支撑,形成空间桁架受力体系,主、横梁间距主要考虑广告面板骨架网格的布置,并使面板骨架节点与主骨架节点相一致,以加强面板与主骨架的连接(见图1)。广告牌面板的自身骨架挂焊在主体结构上,形成整体上部结构。主梁选用槽钢,其他构件均选用角钢,型号按构件的强度和变形条件选取。钢立柱截面的选取,除考虑其强度及稳定性外,还要综合考虑广告牌整体尺寸协调及美观等方面的因素。 ; BsE m4mE7Wn.3 3.结构分析 vYed_ (1).荷载和荷载组合：结构承受的主要荷载有:1)自重;2)风荷载;3)温度荷载;4)检修活载;5)替换词语荷载。荷载组合有三类:1)基本组合;2)特殊组合;3)施工吊装。 zwH3)|Hn (2).应力分析：由于钢立柱为压弯构件,其承载力取决于柱的长细比、支承条件、截面尺寸以及作用于柱上的荷载等,计算表明,钢立柱的承载力一般由稳定控制。 vIaF- # 上部结构的主梁可简化为刚结或铰结在钢立柱上的悬臂结构,主梁之间由横梁及斜撑铰结形成空间平行组合桁架。内力计算采用有限元程序在计算机上完成。 XX 8HSw!w 根据钢结构设计理论,对接焊缝在截面不减小的情况下,其强度可达到母材的强度,因而无需验算焊缝应力,但应严格检查焊缝质量及饱满度。上部桁架杆件间的连接主要是角焊缝 DB/Z 图1 某大型钢结构广告牌 :( X(. 焊缝承受杆件间的应力传递,其受力大小已由上部结构计算得出,对广告牌之类结构,上部结构杆件受力一般不大,为施焊方便,可用围焊,并统一取焊脚尺寸为hf=10mm,可满足规范要求;但对广告牌面板骨架与主骨架挂点处焊接须逐一核算。 V8la_j (3).变位控制 +eJxyO 广告牌立柱高18m,在水平风载作用下会产生顺风向水平位移,上部结构为悬臂桁架,在风载及自重作用下,悬臂端部也会产生相应的变位,如果这些变位过大,将直接影响到广告牌的使用及感观效果,重要的是,这些变位还将引起附加内力,增大结构内部的应力,降低结构的安全性,为此,在广告牌设计中应严格限制变位。根据钢结构设计规范(GBJ1788)的规定,广告牌水平向设计变位应控制在10mm以内为宜。 A$=6=CX %?ElC 4.基础工程设计 nCVjO7o (1).基础型式及布置：作为该类型广告牌的基础型式主要有两种:一种是平衡重力式,即上部荷载主要由大体积基础重力来平衡,开挖方量大,混凝土用量也较多,但施工简单,节省钢材,适宜在土质松软且有开阔的施工场地时利用。另一种为桩基式,其中又以扩孔桩为主,该类基础可在施工场地受限的情况下采用,其优点是基础施工场面很小,混凝土用量仅为平衡重力式基础的三分之一左右,但施工难度略有增大。 7%*#M#(T 由于本广告牌建在某火车站站前广场两侧花坛内,花坛宽仅3m,若放坡开挖基坑,势必破坏两侧的广场混凝土地坪和水泥混凝土路面,其修复工程造价可观,还可能破坏地下埋管,经综合比较,选用了人工挖孔扩底桩基础,使基坑开挖只限在花坛内进行。为了减小孔壁支护的困难,基础上部4m深范围内(表层填土和第二层粉质粘土)不扩孔,采用直径为1.5m的圆孔;从4m深以下(第三层粘土)开始扩孔,以增大基底的受荷面积,来满足地基承载力要求。基底采用方形,尺寸为33m,总孔深为6m,基础底下设置十字正交齿墙,以增强基础的抗扭和抗剪切能力。 ) ( *q (2).桩基础结构计算在桩基础结构计算中,采用C法和m法两种计算方法。结果表明,两种方法计算结果比较一致,桩身最大弯矩出现在距地面62mm(m法为82mm)处,桩顶最大水平位移为4.86mm(m法为4.78mm)。桩身材料强度和配筋计算,按一般钢筋混凝土结构的偏心受压构件进行。 Qg4D*r| 基础设计须考虑轴力、弯矩、扭矩等不同组合的作用,以保证基础本身的强度、刚度及地基的承载力和抗剪强度均满足规范要求。 wqT$( (s 本工程网架的零部件主要有螺栓球、杆件、套筒、封板、锥头、支座、支托。 |4+Y gO 5.3.1螺栓球的生产 7 $*E0 5.3.1.1螺栓球的生产流程：45#圆钢经模锻工艺孔加工编号腹杆及弦杆螺孔加工涂装包装。 y7M(K 5.3.1.2圆钢下料采用锯床下料,坯料相对高度H/D为22.5,禁用气割。 JD *HG 5.3.1.3锻造球坯采用胎模锻，锻造温度在12001150下保温，使温度均匀，终段温度不低于850，锻造设备采用空气锤或压力机。锻造后，在空气中自然正火处理。 & AKPw) 5.3.1.4螺纹孔及平面加工应按下述工艺过程进行:劈平面钻螺纹底孔孔口倒角丝锥攻螺纹。 S)hDsf.I 5.3.1.5螺纹孔加工在车床上配以专用工装,螺纹孔与平面一次装夹加工。 N8 2 6xvA 5.3.1.6在工艺孔平面上打印球号、加工工号。 B EwaQvQ! 5.3.1.7螺栓球的主要检测控制有：a.过烧、裂纹：用放大镜和磁粉控伤检验。b.螺栓质量：应达到6H级，采用标准螺纹规检验。c.螺纹强度及螺栓球强度：采用高强螺栓配合用拉力试验机检验，按600只为一批，每批取3只。d.允许偏差项目的检查。检验标准如下： 1uw1(iL+ 项次 项 目 允许偏差 检 验 方 法 _|e&zr 1 球毛坯直径 D120 +2.0-1.0 用卡钳、游标卡尺检查 dNR /| D120 +3.0-1.5 0UI2 2 球的圆度 D120 1.5 QtfLsu: D120 2.5 L9)gN.# 3 螺栓球螺孔端面与球心距 0.20 用游标卡尺、测量芯棒、高度尺检查 & en2t=a 4 同一轴线上两螺孔端面平行度 D120 0.20 用游标卡尺、高度尺检查 zWo D120 0.30 =x+1A)Q 5 相邻两螺孔轴线间夹角 30 用测量芯棒、高度尺、分度头检查 xDeM7L 6 螺孔端面与轴线的垂直度 0.5%r 用百分数 ?5t1219 5.3.2杆件生产 LuuY7 ? 5.3.2.1杆件由钢管、封板或锥头、高强螺栓组成，其主要工艺过程有：钢管下料坡口并编号钢管与封板或锥头，高强螺栓配套并点焊全自动或半自动二氧化碳气体保护焊接(2级焊缝)抛丸除锈（Sa2.5级）涂装包装。 4UTFO 5.3.2.2钢管下料、倒坡口采用管子切割机床一次完成。 +62= ,?Z 5.3.2.3杆件组装点焊:按翻样图规定取配对的钢管、锥头或封板以及高强螺栓采用胎具上装点焊。 5&57R3 5.3.2.4杆件连接焊接采用二氧化碳气体保护焊或手工电弧焊。 X3p/!W.4 5.3.2.5杆件与锥头或封板焊接的焊条采用E4303,焊丝采用H08Mn2siA。 ,eTdQI; 5.3.2.6杆件施焊应按GB50205-95钢结构工程施工及验收规范和JGJ81-91建筑钢结构焊接规程规定执行。 FS8lt 5.3.2.7杆件的主要检验控制有： *DcICao a. 杆件的坡口及坡口后杆件的长度，要求达到1mm。 BOIN# b. 编号及焊缝质量，焊缝质量采用超声波探伤，抽查30%。 wL3BgCxqDL c. 焊缝的强度破坏性试验，采用拉力试验机，抽样数量为300根为一批，每批抽查3根。 #kl5x d. 涂装质量：涂装环境温度为大于5，湿度为小于80%，采用温湿度计控制并测厚仪检查，厚度为每遍25m5。 aPe*py3T e. 允许偏差项目的检验： Zzkao=1 杆件左端面与轴线垂直度：允许偏差为端头面半径的0.5%。 wmK;0 )|H g.杆件钢管架捆装装运，以利搬运、堆放，保管。 gzK/l: 5.3.3封板、锥头、套筒的生产 ppFVS 5.3.3.1封板的生产 kSJ;k z,_ 5.3.3.1.1封板的加工按下述工艺过程进行：圆钢下料机械加工。 (0_=r=q 5.3.3.2.2封板下料采用锯床下料。 g C8 deC8 5.3.3.3.3按封板标准图在车床上加工。 5qskmN 5.3.3.2锥头的生产 1)xj n 5.3.3.2.1锥头的加工工艺过程：圆钢下料胎模锻造毛坯正火处理机械加工。 RU.MJ kYQ5 5.3.3.2.2圆钢下料采用锯床下料 j9%vw.3b 5.3.3.2.3锥头锻造毛坯采用压力机胎模锻造,锻造温度在12001150下保温,终锻温度不低于850,锻造后在空气中自然正火处理。 6!Udt#a 5.3.3.2.4按锥头标准图在车床上加工。 | JTf 0/ 5.3.3.3.1套筒按下述工艺过程进行,圆料胎模锻造毛坯正火处理机械加工防腐首处理(除锈) 1 !.P H 5.3.3.3.2圆钢下料采用锯床下料。 U|+Eth8( 5.3.3.3.3来用压力机胎模锻造毛坯,锻造温度在12001150时保温,使温度度均匀,终段温度不低于850,锻造后在空气中自然正火处理。 qP4m 5.3.3.3.4按套筒标准图要求车加工。 _2)URU- b. 套筒按5压力承载试验，封板或锥头与杆件配合进行强度（拉 aXD|XE% 力）试验。 j+3=&PkA. c. 允许偏差项目的检验 )|U+r 项次 项 目 允许偏差（mm） 检 验 方 法 a&Lfw 1 封板、锥头孔径 +0.5 用游标卡尺检查 #Ic-?2Gn4-A 3 封板、锥头底板二面平行度 0.3 用百分表、V型块检查 zO)3MC7l* 4 封板、锥头孔与钢管安装台阶同轴度 0.5 用百分表、V型块检查 c0:+p2 5 锥头壁厚 +0.50 用游标卡尺检查 XgU|B 6 套筒内孔与外接圆同轴度 1 用游标卡尺、百分表、测量芯棒检查 HCp!, 7 套筒长度 0.5 用游标卡尺检查 I(:d8SF 8 套筒两端面与轴线的垂直度 0.5%r 用游标卡尺、百分表、测量芯棒检查 BCaF 9 套筒两端面的平行度 0.5 :992EBEj IpI|G!Y, 5.3.4支座的生产 9go+U 5.3.4.1支座加工按下述工艺过程进行:支座的肋板和底板下料支座底板钻孔支座肋板与底板,肋板与肋板,肋板与球的组装焊接防腐前处理(除锈)防腐处理(涂装)。 Ex$i8fO( 5.3.4.2支座的肋板和底板的下料采用气割下料。 EHX/XM 5.3.4.3支座底板采用摇臂钻床加工。